鑄態(tài)球墨鑄鐵磨盤(pán)的生產(chǎn)

何良榮 ，柯志敏 ，張紅林

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東英德 513000；2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心，廣東英德 513000）

磨盤(pán)是粉磨機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其質(zhì)量直接影響著機(jī)器的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。某球墨鑄鐵件磨盤(pán)，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，外圓φ1 700 mm，內(nèi)圓φ498 mm，厚度85 mm，材質(zhì)為FCD400-18，硬度要求HB 130～145，要求100%超聲檢測(cè)，驗(yàn)收要求達(dá)到EN12680-3：2012表2-01級(jí)要求。

1 技術(shù)要求分析

1.1 硬度均勻性分析

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

由于鐵素體基體球墨鑄鐵對(duì)冷卻速度及化學(xué)成分的敏感性使其在不同位置的硬度波動(dòng)劇烈，其波動(dòng)范圍達(dá)到HB 30～40.國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鐵素體基體的球墨鑄鐵的硬度范圍是HB 30～55.現(xiàn)需要保證硬度均勻，且硬度差不超過(guò)15HB，這就要求鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮充型平穩(wěn)，保證各部位凝固時(shí)溫度差盡量小。若工藝設(shè)計(jì)稍有不當(dāng)便無(wú)法在鑄態(tài)達(dá)到技術(shù)要求，通過(guò)熱處理達(dá)到硬度要求將降低鑄件的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 鑄件整體超聲波探傷分析

鑄件整體需要100%超聲波探傷，且需要達(dá)到EN12680-3：2012表 2-01級(jí)要求。查看EN12680-3：2012歐洲標(biāo)準(zhǔn)《鑄造-超聲檢測(cè)第三部分：球墨鑄鐵件》表2，對(duì)照01級(jí)要求，這是極為嚴(yán)格的技術(shù)要求。球墨鑄鐵件的超聲探傷特點(diǎn)是晶粒粗大，組織不均勻，或多或少呈現(xiàn)粗晶狀態(tài)，對(duì)超聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲衰減；此外，表面與中心部分組織的差異性較大，這些差異都很有可能出現(xiàn)底波降低或缺陷波超過(guò)極限值從而不符合要求，因此對(duì)鑄件的質(zhì)量提出了很高的要求。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 分型面的選擇

選擇在φ1 700大平面處分型，這樣簡(jiǎn)化鑄造工藝，有利于模具制作，提高生產(chǎn)效率，提高鑄件質(zhì)量，也能延長(zhǎng)模具的使用壽命。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)磨盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用底注式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道位于鑄件外圓周和底部，鐵液充型平穩(wěn)，可避免鐵液在型腔內(nèi)發(fā)生激濺、氧化形成的鑄件缺陷，同時(shí)對(duì)砂型、砂芯沖擊小，也方便澆注系統(tǒng)設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。

澆注系統(tǒng)采用封閉-開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，在橫澆道中用過(guò)濾網(wǎng)擋渣，各組元截面積比例為F內(nèi)：F橫：F直=1：1.4：1.1，具體截面積 F內(nèi)=38 cm2，10個(gè)內(nèi)澆道在橫澆道上均布，環(huán)形橫澆道F橫=53.2 cm2，F(xiàn)直=41.8 cm2.澆注系統(tǒng)及冷鐵布置如圖2所示。

圖2 澆注系統(tǒng)及冷鐵布置簡(jiǎn)圖

考慮到鑄件硬度偏差主要原因是鑄件各部分在凝固過(guò)程中溫度分布存在差異，為了減小鑄件各部分差異造成的蓄熱與散熱不一致，因此盡可能通過(guò)內(nèi)澆道、冷鐵的均勻布置，有利于鐵液迅速而均勻地充滿型腔，避免鑄件各部分溫差過(guò)大造成硬度偏差大。

2.3 工藝參數(shù)的設(shè)定

鑄造收縮率取1%，加工余量上平面為15 mm，外圓單邊余量10 mm，內(nèi)圓單邊5 mm.

2.4 冒口位置的確定

根據(jù)磨盤(pán)的特點(diǎn)，澆注位置的最高點(diǎn)放置側(cè)冒口，主要作用是排氣、排渣。

2.5 冷鐵方案及擺放

考慮到鑄件要求整體硬度偏差小，使用冷鐵是保證鑄件質(zhì)量常用的工藝措施。通過(guò)采用冷鐵來(lái)平衡鑄件各部位的冷卻速度，追求整體的均衡凝固。在上下兩個(gè)大平面都放置冷鐵，在造型時(shí)控制冷鐵的間隔≤30 mm.上平面的冷鐵背面做出吊耳，在造型時(shí)用鐵線掛在上箱箱帶上再放砂，防止冷鐵整體塌箱。

2.6 澆注位置

參考平板類鑄件的澆注工藝方案，采用平做斜澆的工藝方法。在砂型中傾斜20°～25°放置，有利于排氣和充型平穩(wěn)，防止上表面夾砂。澆口放在傾斜位置的高端，冒口放在低端。

3 鑄件化學(xué)成分控制

3.1 化學(xué)成分

鑄件牌號(hào)是FCD400-18，需要保證硬度值在標(biāo)準(zhǔn)的中下限，化學(xué)成分的選擇是保證達(dá)到硬度要求的關(guān)鍵。對(duì)于鑄態(tài)鑄件的本體硬度主要是由基體組織中的珠光體量或鐵素體量決定，珠光體量多，鐵素體量少則鑄件的硬度高；反之則鑄件的硬度低。

1）碳當(dāng)量的選擇

適當(dāng)?shù)靥岣咛籍?dāng)量可以增加鐵液的流動(dòng)性，利于澆注和補(bǔ)縮，也有利于降低縮松傾向，碳當(dāng)量較高的鐵液具有形成鐵素體的傾向，還可增加石墨球數(shù)量。針對(duì)鑄件的特點(diǎn)，碳當(dāng)量選擇在4.3%～4.6%，ω（C）選擇在 3.70%～3.80%.

2）硅的選擇

硅在化學(xué)成分范圍內(nèi)能全部固溶于基體中，硅在鐵素體基體中隨著硅含量的增加鐵素體也會(huì)增加。常溫時(shí)，基體中原子活性較大，硅使鐵素體增加起主要作用，w（Si）選擇在2.0%～2.2%.

3）錳的控制

錳在球墨鑄鐵中是形成珠光體元素，在凝固時(shí)有特別顯著的偏析傾向，對(duì)鐵素體球墨鑄鐵十分不利。因此對(duì)于鐵素體基體的球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)錳含量越低越好，控制ω（Mn）≤0.3%.

4）磷和硫的控制

磷對(duì)于球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)是有害元素，含量越低越好，因此控制ω（P）≤0.040%.硫是反球化元素，屬于有害雜質(zhì)元素，是隨金屬爐料帶入爐中，因降低磷硫含量是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的基礎(chǔ)，含量越低越好。因此控制ω（S）≤0.020%.

5）殘余稀土和鎂

ω（RE殘）控制在≤0.020%，ω（Mg殘）控制在0.03%～0.05%的范圍內(nèi)。如果鐵液內(nèi)的殘余鎂過(guò)多會(huì)增加收縮量，使鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。殘余稀土過(guò)高會(huì)出現(xiàn)異形石墨和增加碳化物形成傾向。

生鐵和廢鋼的純凈度是穩(wěn)定生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵的關(guān)鍵，因此要求生鐵和廢鋼中形成珠光體元素（Cu、Cr、Mo、Sn、Sb 等）含量要盡可能地低。

綜合上述分析結(jié)果，化學(xué)成分的控制范圍如表1所示。

表1 化學(xué)成分的控制范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.2 球化及孕育處理

球化劑選用鑭系稀土鎂球化劑。而孕育處理則采用多次孕育方法，澆注時(shí)隨流孕育采用高效孕育劑，能夠更有效地防止孕育衰退，增加鑄件基體組織的均勻性。

3.3 澆注溫度設(shè)定

為了減少澆注溫度過(guò)高導(dǎo)致的凝固時(shí)間長(zhǎng)，溫度差異過(guò)大，澆注溫度不能過(guò)高，而為了避免氣孔、夾渣缺陷，澆注溫度又不能太低，從二者兼顧考慮，選定澆注溫度為1 300℃～1 320℃.

4 生產(chǎn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)公司各部門(mén)的積極配合，成功生產(chǎn)了多批次磨盤(pán)鑄件，磨盤(pán)實(shí)物圖片見(jiàn)圖3.

4.1 澆注前的鐵液化學(xué)成分分析

圖3 磨盤(pán)實(shí)物圖

對(duì)澆注前的鐵液進(jìn)行光譜分析，其化學(xué)成分平均為：ω（C）3.72%，ω（Si）2.08%，ω（Mn）0.26%，ω（P）0.018%，ω（S）0.010%，ω（Cr）0.029%，ω（Mo）0.008%，ω（Cu）0.031%，ω（RE）0.012%，ω（Mg）0.046%.分析結(jié)果顯示各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在控制范圍內(nèi)，達(dá)到控制要求。

4.2 本體金相組織分析

對(duì)本體金相組織進(jìn)行檢驗(yàn)，球化級(jí)別評(píng)定為2級(jí)，石墨大小評(píng)定為6級(jí)，珠光體數(shù)量＜5%，鐵素體數(shù)量＞95%，無(wú)明顯的碳化物。本體金相組織見(jiàn)圖4，金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示，磨盤(pán)材質(zhì)整體較好，符合鐵素體球墨鑄鐵的要求。

圖4 本體金相組織

4.3 本體鑄態(tài)硬度分析

為了詳細(xì)驗(yàn)證本體鑄態(tài)的硬度偏差，隨機(jī)抽取一件檢查。從圓周等分8組，內(nèi)圓到外圓等分6個(gè)點(diǎn)分別檢驗(yàn)每個(gè)點(diǎn)的硬度值，硬度檢查結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 本體硬度

從檢查結(jié)果看硬度最低值HB130，最大值HB142，整體硬度差均小于HB15，符合技術(shù)要求。

經(jīng)加工磨盤(pán)的表面未發(fā)現(xiàn)浮渣、氣孔等鑄造缺陷，鑄件整體質(zhì)量良好。經(jīng)超聲波檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）和硬度檢驗(yàn)，鑄件滿足技術(shù)條件規(guī)定的質(zhì)量要求。

5 結(jié)論

此次磨盤(pán)鑄件的成功生產(chǎn)，對(duì)以后開(kāi)發(fā)其他類型的硬度偏差小，要求無(wú)鑄造缺陷鑄件奠定了基礎(chǔ)，并且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。只要設(shè)計(jì)鑄造工藝方案合理，選擇化學(xué)成分合適，嚴(yán)格控制熔煉澆注過(guò)程，并不斷采用新工藝、新方案、新材料就能生產(chǎn)出附加值高的產(chǎn)品。